HPC保溫一體化外墻板的設計與施工*

孔令宇，張植偉，楊 錚，彭 渤，劉盛開

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

中國人民大學通州新校區(qū)位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)，是通州新校區(qū)的標志性建筑及重要組成部分。西區(qū)學部樓一期項目作為人民大學通州新校區(qū)第一批學部樓項目、人民大學最出名的雙一流學科教學樓項目，是學校重要的交通和景觀節(jié)點建筑，是整個校區(qū)的禮儀性節(jié)點。

中國人民大學通州新校區(qū)西區(qū)學部樓一期項目由1號樓新聞學院樓、2號樓藝術學院樓、3號樓未來傳播創(chuàng)新中心組成，總建筑面積54 500m2，其中地上25 135m2,地下29 365m2。3個單體建筑地下1層及地上部分相對獨立，地下2，3層整體連通。工程效果如圖1所示。

圖1 工程效果

本項目外檐大面積使用高性能混凝土復合保溫一體板(high performance concrete，以下簡稱HPC復合墻板)，外檐形式復雜，種類繁多。HPC復合墻板造型種類、空間角度、顏色、肌理多樣，特別是在大模塊構造上，最大幕墻單元模塊為2 600mm×5 400mm，最小為1 200mm×900mm，藝術學院外墻板在同一模塊上實現(xiàn)了4種不同的肌理要求，外檐肌理效果要求極高。

2 高性能混凝土復合保溫一體板

2.1 定義

HPC復合墻板由內、外面板及保溫巖棉芯材復合而成。內、外面板為高性能混凝土，內配不銹鋼網片，厚度≥30mm，內、外面板均為裝飾一體化板；芯材為保溫巖棉，厚100～190mm，密度為80～120kg/m3；其抗壓、抗拉強度高，本工程HPC復合墻板極限抗壓強度≥60MPa(不含裝飾面)，抗折強度≥14MPa，耐久性好，屬于新一代土木工程材料。產品特點如下。

1)高強耐久 HPC大尺寸混凝土面板可承受極高荷載，面板具有出色的耐候性，使用壽命長。

2)個性化 產品形狀可自由設計成曲面異形，其個性化形狀、顏色、表面質感和穿孔為建筑師提供了無限可能性。

3)有生命力 HPC是一種天然無機材料，其天然原料能創(chuàng)造出一種特殊的混凝土質感表面效果。

4)防火性能 其出色的熱工性能(防火等級A1，屬不燃材料)可確保系統(tǒng)的絕對安全性和耐火性能。

5)安裝便捷 工廠化生產、裝配式安裝，HPC夾心保溫系統(tǒng)在建筑物理、生態(tài)和經濟性方面具有顯著優(yōu)勢。

6)保溫性能 HPC、巖棉的傳熱系數(shù)低，二者均為優(yōu)秀的保溫材料，HPC內加巖棉作為外墻材料利用了HPC的高強度，內部填充巖棉增加了保溫性能又減輕了構件自重。

2.2 設計肌理

HPC復合墻板表面肌理豐富細膩，可做到表面肌理平滑如水、細膩如織，又可狂放、粗糙似乎天造使然。建筑師們可利用這一特點表達自己的建筑品味和建筑情感。為保證HPC復合墻板效果達到建設單位認可，對樣板進行反復對比甄選，最終確認如下肌理。

1)1號樓新聞學院樓HPC復合墻板構件表面顏色為深紅色，采用白水泥、彩色硅砂和氧化鐵色粉攪拌染色工藝；表面為砂巖效果，采用緩凝劑，水洗處理。砂巖肌理效果如圖2所示。

2)2號樓藝術中心HPC復合墻板構件表面整體為灰色，采用白水泥、彩色硅砂和氧化鐵色粉攪拌染色工藝；表面由木紋肌理、編織畫布肌理和清水光面肌理結合(見圖3)，采用緩凝劑，水洗處理，肌理面裝飾效果采用聚氨酯模具澆筑成型。

圖3 2號樓設計肌理

3)3號樓傳播中心HPC復合墻板構件表面整體為深紅色，采用白水泥、彩色硅砂和氧化鐵色粉攪拌染色工藝，燈芯絨的豎向肌理表面為鑿面，采用緩凝劑，水洗處理，肌理面裝飾效果采用聚氨酯模具澆筑。燈芯絨肌理效果如圖4所示。

圖4 燈芯絨肌理

HPC復合墻板構件構造要求為：內、外面板采用高性能混凝土，結合保溫材料、φ10圓鋼、304不銹鋼套筒一體澆筑；預制時預埋連接套筒，保證連接可靠。

3 重難點分析

1)據(jù)統(tǒng)計，本項目HPC復合墻板共計2 800塊，板塊表面顏色豐富，肌理多樣。因此，板塊的質量可追溯性及肌理顏色統(tǒng)一是本項目的重難點。針對措施為：材料采用同一廠家同一批次供應，加工生產工人須按照加工圖紙和工藝進行生產加工，須進行首檢、自檢和互檢，檢查時要確認量檢具的精確度；針對不同板塊分別進行編號、分類碼放。

2)本項目外墻圍護HPC復合墻板板塊眾多，尤其是局部混凝土板塊尺寸較大、自重大、規(guī)格多，因此，外墻圍護材料在包裝、裝卸及運輸過程中的成品保護是工程的重難點。針對措施為：對不同板塊進行標識并采用相應的包裝，確保材料在運輸過程中不受損壞，針對不同HPC復合墻板形狀及外形尺寸采用不同的運輸工具，以充分確保材料在整個運輸過程中不受損壞，保證整個外墻圍護的施工質量，板塊運輸時需與車體進行可靠的綁扎和固定，特殊材料(如大板塊木材等)利用支架固定，一次運輸一個大板塊，并進行可靠固定和保護處理，避免在運輸過程中發(fā)生碰撞和損壞。

3)HPC復合墻板體積大、自重大，安裝精度控制同樣是本項目的重難點。針對措施為：利用三維激光掃描系統(tǒng)對結構及外墻進行實時檢測，獲取三維修正BIM模型，與設計師的三維模型進行對比，修正深化設計，以保證安裝精度。三維激光掃描系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 三維激光掃描系統(tǒng)

4 高性能混凝土復合保溫一體板的應用

4.1 HPC復合墻板原材料控制

HPC構件原材料采用52.5R級白水泥、P·O42.5R 硅酸鹽灰水泥、含硅量≥96.5%的石英砂、含鋯量≥16.5%的耐堿玻璃纖維、密度80～120kg/m3的巖棉，外加劑采用丙烯酸乳液。

1)礦物摻合料 ①硅灰應符合規(guī)范規(guī)定，SiO2含量>90%，同一項目宜采用同一廠家同一冶煉爐的灰源，本項目選用微硅粉；②采用其他礦物摻合料時，礦物摻合料性能應符合國家現(xiàn)行標準的有關規(guī)定，且應通過試驗驗證，滿足高性能混凝土設計性能要求時方可使用。

2)骨料 宜選用最大粒徑≤1.25mm的石英砂，石英砂按粒徑可分為粗粒徑砂(1.250～0.630mm)、中粒徑砂(0.630～0.315mm)和細粒徑砂(0.315～0.160mm)。石英砂含泥量應≤0.5%，泥塊含量應為0，石粉含量應≤5%，亞甲藍試驗結果(MB值)應≤1.4，氯離子含量應≤0.02%，硫化物及硫酸鹽含量應≤0.5%，云母含量應≤0.5%，二氧化硅含量應>99%。其他性能指標應符合GB/T 14684—2001《建筑用砂》的規(guī)定。篩分試驗、氯離子含量、硫化物及硫酸鹽含量、云母含量檢驗應按照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》，二氧化硅含量檢驗應按照JC/T 874—2021《水泥用硅質原料化學分析方法》的規(guī)定。

3)減水劑 應符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》和GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》的規(guī)定，宜選用減水率≥30%的高性能減水劑。其他外加劑應符合國家現(xiàn)行標準的有關規(guī)定，與水泥和礦物摻合料有良好的適應性，且應通過試驗驗證，滿足超高性能混凝土設計性能要求時方可使用。本項目外加劑有高性能減水劑、減縮劑、消泡劑。

白水泥的穩(wěn)定性是確保產品質量穩(wěn)定的先決條件之一；高質量的硅砂及玻璃纖維是確保產品質量安全的核心。與國際同類產品相比，砂級配曲線如圖6所示，混凝土力學性能比較如表1所示。

圖6 砂級配曲線

表1 混凝土力學性能比較

4.2 HPC復合墻板加工制作

本項目HPC復合墻板采用整體模塊化設計、批量化生產，具體加工工藝為：特定模具制作→固定模板框架→鋪設加強筋(φ10圓鋼)→預埋套筒(304不銹鋼套筒)→放置保溫材料(巖棉)→整體澆筑。

模具生產使產品加工批量化，流水線生產降低人力成本，提高資源利用率，加強對生產工人交底，實現(xiàn)自檢、復檢、巡檢及第三方檢測，加強質量把控。水泥制品工廠化預制加工，使成品養(yǎng)護和保護得到保障，利于實現(xiàn)質量全優(yōu)，創(chuàng)造品牌和經濟效益。

將耐堿玻璃纖維及其他纖維材料、水泥、砂等其他復合材料按一定配合比攪拌，在模具內澆灌成型。HPC復合墻板是一種高強度、高韌性、低孔隙率的高強水泥基材料。通過提高組織成分的細度與活性，不使用粗骨料，使材料內部的孔隙與微裂縫降到最少，以獲得超高強度、高耐久性及高抗?jié)B性能。

HPC復合墻板澆筑完成后，及時覆蓋塑料薄膜進行保濕養(yǎng)護，至少養(yǎng)護14d。由于脫模時HPC復合墻板強度只達到設計強度的70%，應將其平放在托架上，脫模后24h內不得轉運或振幅過大，防止HPC復合墻板表面開裂；達到設計強度100%時方可進行現(xiàn)場吊裝作業(yè)。為保證HPC復合墻板裝運過程中不出現(xiàn)破損等質量問題，根據(jù)不同尺寸，選用木方或鋼架定制包裝，采用EPS和鐵絲等進行分隔加固。

4.3 HPC復合墻板施工

4.3.1施工工藝

1)HPC復合墻板的鋼底座(15mm厚鍍鋅鋼板)需焊接至主體結構鋼梁的預埋板上；施焊前，利用全站儀在鍍鋅鋼埋件位置進行復測定位；根據(jù)確認無誤的復測結果進行焊接施工。

2)轉接件選用15mm厚鍍鋅鋼板制作成L形，根據(jù)全站儀復測好的位置進行調試安裝。

3)正式安裝前現(xiàn)場復核墻板安裝位置、標高，根據(jù)復核結果進行下一步吊裝工作。

4)HPC復合墻板采用25t汽車式起重機和曲臂登高車配合吊裝。

5)對HPC復合墻板所有拼縫處進行封修處理(防水保溫)，對墻板整體面層平整度進行檢查。

6)安裝完成后對封修處理、構件安裝誤差、表面平整度等進行整體驗收。

7)HPC復合墻板縫室內、外兩側均采用耐候膠封堵，加強防水效果。

8)HPC復合墻板整體清洗并采取成品保護措施，室內構件表面貼警示標識，并派專人現(xiàn)場巡查，發(fā)現(xiàn)污染或破壞情況，及時進行修復處理。

HPC復合墻板(單元式幕墻)插接縫處防水處理為：在橫向接縫外側設置防水膠條,僅在兩單元組件連接處留1個小開口,使等壓腔與室外的空氣流通，以維持壓力平衡，形成自上而下、自左到右的連續(xù)外壁體系，即“幕”。防水膠條可沿接縫全長設置，阻止大量雨水滲入幕墻內部,僅開口處有少量雨水滲入，通過U形鋁合金型材(集水槽)，將沿豎框空腔下落的水集中并及時排至室外。排水孔應遠離接縫,以減少縫隙周圍水的聚集。具體防水處理措施如圖7所示。

圖7 防水處理

4.3.2注意事項

1)HPC復合墻板應采用插槽或螺栓通過支承結構與主體結構連接，嚴禁現(xiàn)場焊接。

2)豎向連續(xù)分布構件宜自下而上安裝，豎向不連續(xù)分布構件可同時在不同層次作業(yè)；橫向連續(xù)構件的安裝順序應根據(jù)誤差進行分配，宜從邊角開始安裝；環(huán)窗構件的安裝順序宜為：窗臺→窗邊→窗頂。

3)構件吊掛點位置、數(shù)量應根據(jù)板塊的形狀和重心設置，吊點數(shù)量應≥2個，必要時可增設吊點進行加固。

4)應進行試吊裝，起吊時應使各吊點均勻受力，起吊過程中保證單元板塊的平穩(wěn)。

5)吊裝升降和平移時應確保單元板塊平穩(wěn)，不撞擊其他物體。

6)吊裝過程應采取措施保證裝飾面不受磨損和擠壓。

7)板塊就位時，應先將其掛到主體結構的掛點上，板塊未固定前，吊具不得拆除。

8)HPC復合墻板就位后經測量確定三維方向的位置和角度均在允許誤差范圍內，方可固定。

9)HPC復合墻板接縫在允許偏差內，可在構件接縫處調整部分安裝偏差。

4.4 HPC復合墻板驗收

由于HPC復合墻板施工工藝屬于新技術，暫無相應的針對性驗收規(guī)范。因此，針對本項目HPC復合墻板應用，特組織專家論證，出具驗收辦法意見書，且經專家組長、建設單位、設計單位、監(jiān)理單位、總包單位共同簽字確認，意見書即可作為本項目HPC復合墻板加工生產、現(xiàn)場安裝、施工驗收標準。

4.4.1產品生產

HPC復合墻板外表肌理經建設單位、設計單位共同封樣確認后，要求專業(yè)分包單位以周為周期進行工作復盤，充分考慮構件加工周期，以確保構件加工的有效性和及時性。復盤內容為：①原材料檢查，模具制作、構件生產、執(zhí)行品質驗收復查；②抽樣檢測、留樣檢測；③執(zhí)行養(yǎng)護制度；④每周提供構件生產周報；⑤出具第三方產品檢測報告。

HPC復合墻板構件澆筑完成后須及時覆蓋塑料薄膜。超高性能混凝土拌合物失水后易起皮，影響結構的致密性，還易引起收縮裂縫。

4.4.2安裝質量及驗收

1)HPC復合墻板彈性層間位移角為1/300(△/H)，本項目層間高度為4 500mm，最大層間位移△=15mm。

2)HPC復合墻板與主體結構的凈距要求 ①HPC復合墻板背面與預制混凝土結構凈距應≥40mm，與現(xiàn)澆混凝土結構凈距應≥50mm；②HPC復合墻板背面與鋼結構凈距應≥40mm；③HPC復合墻板與主體結構的連接點在上下、左右、前后方向內的調節(jié)空間凈距應≥25mm。

3)安裝效果要求 安裝后的HPC復合墻板外立面應線條清晰、層次分明、表面平整、曲面過渡光滑，橫向構件應保證平直度，豎向構件應保證垂直度，整體效果應達到建筑設計要求。

4)安裝偏差要求 ①建筑平面內，HPC復合墻板與建筑軸線的距離偏差應≤12mm；②3m高度HPC復合墻板立面垂直度偏差應≤5mm，15m高度應≤10mm，30m高度應≤20mm；③單塊HPC復合墻板頂部標高與設計標高偏差應≤10mm，相鄰構件頂部標高偏差應≤5mm；④HPC復合墻板長度≤6m時，接縫寬度與設計寬度偏差應≤5mm，HPC復合墻板長度>6m時，接縫寬度與設計寬度偏差應≤10mm；⑤相鄰HPC復合墻板面內錯臺偏差應≤5mm；⑥與主體結構相連的連接件定位偏差應≤5mm。

5 結語

對本項目通過HPC復合墻板新技術的樣板引路、紋理確認、加工生產、運輸、現(xiàn)場安裝、質量驗收等各環(huán)節(jié)進行控制，使HPC復合墻板施工工藝進一步成熟，且效果較傳統(tǒng)幕墻更加美觀大方、形式多樣。該項目的成功實施可為其他工程建設提供參考。